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螢幕也能超軟 Q!有機元素如何化身成多彩 OLED 有機光電材料?

研之有物│中央研究院_96
・2017/06/18 ・3115字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

為什麼研究「OLED 有機發光二極體」?

除了現有的 Samsung 手機, Apple 的 iPhone X 也移情別戀 OLED 面板,它有什麼迷人之處?那耀眼的光彩從何而來?中研院化學所陳錦地研究員,多年來帶領團隊研發 OLED 材料,從黑髮做到白髮,讓世上有更多美好的光色。

OLED 迷人之處:光彩鮮豔、可撓式

從貞子可以爬出來的傳統映像管電視,變成影像流暢的輕薄液晶螢幕,許多科幻電影描繪未來顯示器甚至能變成卷軸從手錶拉出來,或直接顯影在汽車擋風玻璃上,這該如何辦到?

有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode, 簡稱 OLED),正將色彩與光明帶往以往無法照亮的領域。

不同分子結構的 OLED 化合物溶液,在紫外燈的光激發下,各自發出耀眼的顏色。 圖/By Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.

「碳、氫、氧、氮、磷、硫」等有機元素,除了是構成人體的必要生命元素,經由化學家巧手設計,也能變成 OLED 有機光電材料。

OLED 材料由「碳、氫、氧、氮、磷、硫」等原子以共價鍵形式的分子所構成,手牽手連結成具有雙鍵的有機化合物,經過化學家設計分子結構,也就是誰和誰牽手、誰牽幾雙手,藉以發出不同光色,再透過通電或照射紫外光等方式,給予能量發出可見光。

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OLED 所呈現的光色,就是每一個分子的顏色。

有別於「無機」光電材料是由硬梆梆的金屬、類金屬、半導體元素組成的「塊材」,整體一塊無法彎曲。OLED 材料由「有機」分子堆疊構成連續性薄膜,每層薄膜厚度不到 0.0001 公分(即次微米等級),柔軟可彎曲,能自由應用於物聯網、穿戴式裝置、軍事飛行器等。另外,OLED 若是應用在白光照明上,也具有節能的優點,所以是光電材料的當紅成員。

OLED 有機發光二極體具有「可撓式」特性,讓顯示器或照明設備有機會變成小小一個卷軸。 圖/By U.S. Army RDECOM @ flickr, CC BY 2.0

OLED 身世之謎:如何合成想要的光色?

其實,使用有機化合物為生活添加色彩,不是現今才有的技術。

舊石器時代的人類,已經懂得取材自然界有機物質,用大地色描繪生活所見。圖/By Prof saxx, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

舊石器時代的岩洞壁畫,顏料取材自大自然的物質,例如土褐色的赤鐵岩(Hematite) 、赭褐色的赭石(Ocher),而顏料之所以有顏色,是因為分子會吸收可見光,往另一個角度想,顏料也可以用來發出可見光。

現今,有機物質的色彩不僅靜態展示,化學家在實驗室中透過化學反應、管柱層析、純化等過程,研發不同顏色的螢光或磷光化合物以利製備光電元件,透過通電讓色彩像活起來般明明滅滅。

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陳錦地的實驗室中,經過層層步驟產出紅色螢光化合物 PhSPDCV。 來源/陳錦地、李怡葶提供;圖製/張語辰

你可能會疑惑,在顯微鏡下看得到化合物的分子結構嗎?如何確認自己的確合成想要的紅色螢光化合物,而不是別的顏色呢?「有機」化合物的顏色取決於分子的化學結構,化學家藉由化學合成的手段來掌控分子的化學結構,即化合物的顏色可以受到控制。

但是,化學家沒辦法用顯微鏡直接看到化合物的分子和原子,因為它們太小了,然而有很多輔助的工具,加總起來可成為間接確認的證據。最常用來鑑定化學結構的方式是「氫譜(核磁共振光譜儀)」和「以 X 光解析單晶構造」。

核磁共振對「氫」的原子有反應、會在光譜上產生訊號,有機化合物具有許多氫原子,這些氫原子長在分子結構中不同位置,在光譜上呈現的訊號會不同,可以根據氫譜的模樣推斷有機化合物的化學結構。而只要是晶體的化合物,都能從 X 光的繞射訊號直接偵測出化學結構。再加上質譜儀、元素分析等,可以了解有機化合物的元素組成與比例。結合這些技術,就能很準確地驗證有機化合物的三度空間化學結構。

陳錦地團隊研究,核心化學結構都一樣,但改變兩端四個角鍵接的物質,就會發出不同色澤的藍光。 來源/Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.;圖製/林婷嫻、張語辰

說到「藍色」,你心中浮現的藍色,可能會和另一個人想的藍色不同。 OLED 要應用於顯示器或照明時,也需要不同的藍色,陳錦地團隊發現,這可以透過改變高分子聚合物核心結構鍵結的元素來實現。

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在實驗室合成出不同光色的 OLED 化合物後,它本身還不會發光,需先鑑定化學物性,了解材料本身會發什麼光、熱性質(例如遇到多少溫度會融化)等等,藉以確定適合當什麼光電材料、和那些光電元件搭配。

不是研發出 OLED 材料就放著沒事了,總是會好奇這個材料運用在光電元件上,效果好不好。

運用中研院化學所擁有的「自己的材料自己測、自己做」設備,陳錦地團隊透過「真空蒸鍍」、「旋轉塗佈」兩種製程,將 OLED 化合物進一步製成基礎光電元件,測試發光狀態與效能,即時找出問題,並回頭調整化學合成途徑。

OLED 光電元件兩種製程:真空蒸鍍適合小分子的化合物及較小的基板;旋轉塗佈較省化合物材料,但需注意上下層的溶劑彼此不能互溶。 來源/李怡葶提供;圖說/林婷嫻、張語辰

做好的 OLED 光電元件雖然只有薄薄一片,但中間包含了主要的功能層,分別是電洞傳輸層(HTL)發光層(EML)電子傳輸層(ETL)

想像一下,當電洞與電子分別從陰極和陽極來到元件中,會各自經過電洞傳輸層(HTL)和電子傳輸層(ETL)來到中間的發光層(EML)相會,這時天雷勾動地火,通電後的能量激發了位於發光層的 OLED 化合物無限潛能,就放閃發出了自己鮮豔的光色。

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這個相遇與放閃的過程,似乎有點像愛情?

OLED 光電元件構造:當電洞與電子經過傳輸層,來到發光層之後,會給予 OLED 化合物電能,使之激發出光色,如照片實體所示。 來源/李怡葶提供;圖說/林婷嫻、張語辰

眼看 OLED 發光,轉瞬白髮生輝

「我為什麼會有白頭髮,都是因為顏色用在這些有機化合物用掉啦!」陳錦地笑著說。 攝影/張語辰

化學只是一門科目,高中剛畢業時的陳錦地曾經這麼認為。直到讀了淡江化學系、台大化學所,親身做實驗、看見研究後的成果才體會:原來化學是一種科技!

無論是何種科技,研發過程一定會有失敗的時候,但在實驗室裡別急著傷心。波以耳說:「要想做好實驗,就要敏於觀察。」而對陳錦地而言,休息休息回來再拼就是了。

若不曉得實驗失敗的原因,整理一下看到的現象,根據化學知識判斷可以改變那些過程,下次就會做對。

陳錦地團隊的研究方向,除了試著找尋現在還不存在的材料,也致力於改良現有可應用的材料,例如研究如何提高 OLED 的發光效率。由於研究的本質並非直接進行生產,看不到立即性效益,「其實每一年都可說是在賠本」陳錦地自嘲說。但如果十年、二十年長遠來看,基礎研究的發現,能夠幫助突破產業環節的問題,例如讓生產的光電元件更有效與更便宜,因為有更好的光電材料。

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現在就能賺錢的東西,沒什麼好研究。對未來應用有希望,而且離成功還需要再努力的,不覺得更值得投入研究嗎?

延伸閱讀:

  • 陳錦地的個人網頁
  • Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.
  • Chiang, C.-L.; Wu, M.-F.; Dai, D.-C.; Wen, Y.-S.; Wang, J.-K.; Chen, C.-T. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 231.
  • Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.

執行編輯|林婷嫻;美術編輯|張語辰

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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從 Game Boy 到大螢幕 ,童年電玩螢幕的黑科技你知道多少?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/13 ・3778字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 GIGABYTE 技嘉科技 委託,泛科學企劃執行。

小時候熬夜躲在棉被裡,拿著手電筒玩 GAME BOY 是許多人共同的回憶。任天堂在 1998 年推出的 GAMEBOY COLOR 打著新穎的掌上彩色螢幕,征服了全球無數大人小孩的心。跟今日的手機平板相比之下,可以隨身攜帶的彩色螢幕好像不算什麼,但在那時候可是貨真價實的稀有黑科技。

在液晶螢幕(LCD)還不普及的年代,電腦和電視的顯示器普遍使用陰極射線管(Cathode ray tube, CRT,或稱映像管)技術,也就是以往國小教室裡會出現的正方體電視。這種設計笨重且耗電,完全不適合用於隨身裝置。因此從二十世紀下半開始,科技公司紛紛投入液晶顯示器技術的尖端研究,但注意到了嗎?現在新的手機、平板、電玩液晶螢幕,越來越多採用 OLED 是什麼原因呢?就讓我們從液晶的起源娓娓道來。

液晶本身不會發光!

液晶最早在 19 世紀中葉被科學家發現,因同時具有「固態的晶體結構」與「液態的流動性」,因此稱為「液晶」,這些特性讓液晶可藉由微弱的電場改變晶體方向,達到讓特定光線進入的效果。

因此,液晶是不會發光的!我們現在所用的液晶螢幕,包含「液晶面板」與「背光模組」兩個部分,由背光模組提供的穩定光源打在控制光線進入的液晶面板上,才能顯示出絢麗的圖案。

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同時具有「固態的晶體結構」與「液態的流動性」——液晶。圖/維基百科

Game boy 液晶螢幕大解密

最早的商用液晶螢幕,搭載的液晶面板為扭曲向列液晶(Twisted Nematic, TN),由於 TN 面板的黑白對比度不夠好,因此後來又推出了超級扭曲向列液晶(Super Twisted Nematic, STN)來改善這個問題。

STN 面板被廣泛使用在 80-90 年代,只需進行單色顯示的隨身電子產品上,舉凡 Game boy、計算機、電子錶、電子辭典、電子雞……等,都使用了 STN 面板,早期的電子雞就是這個原理,想想小時候,掌上型的遊戲也不能少了這一款,在學校有一隻電子雞真是走在潮流的尖端?!STN 面板雖然只有單色,但省電是它的一大賣點,因為單色的每個像素,只需要一個液晶單元,而彩色每個像素,需要有紅、綠、藍三個不同顏色的液晶單元,控制液晶面板的耗電量直接三倍起跳。

此外,上述的這些裝置皆沒有配備「背光面板」,而是採用外部光源反射在液晶面板,這樣做不只能減輕重量,也不需要供電給背光面板,讓續航力更上一層樓,更符合隨身電子產品的需求。

不過,也因為沒有背光面板,小時候就沒辦法躲在烏漆墨黑的被窩裡,偷打 Game boy 或養電子雞了。

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咒術迴戰的電子雞。圖/Tamagotchi

在討論 Game Boy Color 之前,得先說說彩色液晶螢幕的原理。

彩色液晶螢幕的原理,就只是把液晶單元前面貼上紅、綠、藍的玻璃紙(當然不是用玻璃紙,只是比喻),讓液晶螢幕可以發出光的三原色,再用三個不同顏色的液晶單元,組合成一個像素就可以了。

彩色液晶螢幕的技術不難,只是幫液晶面板貼色紙而已,但重點還是前面提到的耗電問題(一個像素從一個液晶單元變三個)。

而當時拿來貼色紙的液晶面板,正好是可以用外部光源顯示的 STN 面板,這表示以 STN 面板為基礎的彩色螢幕,未必需要加裝背光面板才能顯示!

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Game Boy Color 為了因應彩色帶來的耗電量激增,便採取外部光源反射顯示。不加裝背光面板雖然犧牲了對比度與飽和度,卻讓 Game Boy Color 有著輕便與高續航力的優勢,勝過採用背光面板、畫質較好的 Sega Game Gear,獲得當時玩家的青睞。

美版的 Game Gear 普通機型。圖/維基百科

突飛猛進的面板發展

隨著電池技術的進步,耗電量已不再是考量的重點。無論是行動裝置的液晶螢幕或一般的液晶螢幕,皆裝上了「背光面板」(終於可以在被窩裡玩手機)。此時,人們開始將注意力放在液晶螢幕的對比度、可視角度、色彩呈現與更新率(每秒更新的畫面數量)上了。

為了做出色彩更加鮮豔、更新率更高的螢幕,除了上述提到的 TN 面板外,後續也發展出了 VA 面板與 IPS 面板,而他們各自都有自己的優勢與劣勢。

TN 面板(扭曲向列型液晶)

最早發展的 TN 面板,其面板內的液晶分子在未通電時,會呈現如 DNA 的螺旋狀,這時光線可以穿透。當通電時,液晶分子會排成垂直螢幕的方向,這時光線就無法穿透。

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TN 面板有較好的更新率,且因技術成熟,目前市面上的 TN 面板螢幕,價格相對較低,但 TN 面板的缺點也非常明顯,可視角度狹窄,稍微側面看螢幕就會嚴重失真,色彩與對比度的表現也較差。

VA 面板(垂直排列液晶)

VA 面板是繼 TN 面板後問世的液晶面板,其工作機制與 TN 面板正好相反,在未通電時,面板內的液晶分子會呈垂直排列,無法讓光通過;通電時中間部分的液晶分子會轉為水平,讓光線通過。

VA 面板改善了過往 TN 面板在色彩與對比度上的不足,清晰的對比度讓畫面更銳利,可視角也變得更寬廣,不過更新率較低,一般的 VA 面板應付日常上網或看電影還算可以,但對於有高更新率需求的第一人稱射擊遊戲或電競,VA 面板就顯得沒那麼適合。

IPS 面板(橫向電場效應顯示技術)

IPS 面板是相對後期發展的液晶面板,在未通電時所有液晶分子會像梯子一樣水平排列,這時光線無法穿透,而通電後液晶分子會變成類似 VA 面板的 DNA 螺旋狀,此時光線可以穿透。

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IPS 面板最大特點,正是液晶分子的旋轉方向,始終都在同一個平面上,這樣的設計使得可視角度大幅提升,且顏色更加飽滿,反應速度雖然比 VA 面板好,但還是比不上 TN 面板。

新世代的 OLED 螢幕

不同面板的液晶螢幕各有各的優缺點,可以依據自己需求選擇適合的螢幕,那有沒有哪一種螢幕,可以網羅所有優點呢?

答案是有的,這就是最晚才開始發展的新世代螢幕——OLED(有機發光二極體)螢幕!

OLED 螢幕利用夾在玻璃基板之間的有機分子自行發光,因此不需要背後的發光面板,比起過往的液晶螢幕更加省電,也能做得更輕薄。此外,自行發光也代表不會有液晶螢幕的可視角度的問題,並有著趨近於無窮的黑白對比度,色彩飽和度上也表現得可圈可點。

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在更新率上,OLED 螢幕是透過控制輸入電壓來更新畫面,可以一步到位,而液晶螢幕則是透過電場控制液晶分子方向後,才能更新畫面,因此 OLED 螢幕,理論上的更新率是優於一般液晶螢幕的。

新世代 OLED 螢幕囊括諸多優點,給你最佳的娛樂體驗。圖/GIGABYTE 技嘉科技

過往 OLED 螢幕因價格昂貴,很少出現在我們的生活中,但隨著技術成熟,OLED 螢幕的價格已不再是問題,新一代的手機與平板電腦,或其他行動裝置,也紛紛開始採用 OLED 螢幕,像是今年即將推出的新版 Nintendo Switch,也準備將原本搭配的 IPS 液晶螢幕,換成 OLED 螢幕。


OLED 擁有卓越的色彩和反應時間,用來打遊戲再適合不過。

技嘉 AORUS FO48U 專業電競螢幕採用 OLED 面板,融合電競與影音的雙重享受,120 Hz 的更新頻率搭配 4K 高畫質,帶來最清晰流暢的視覺體驗。搭載 2.1 聲道音響系統及 Space Audio 技術享受環繞音場效果,不論是在電競遊戲、電影、音樂都能感受影音的雙重饗宴。

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參考資料:

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這裡痛,那裡痛,全部都是壓力惹的禍!揭開纖維肌痛症的成因
研之有物│中央研究院_96
・2021/03/22 ・3906字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|歐宇甜
  • 美術設計|林洵安

日常壓力會誘發纖維肌痛症

纖維肌痛症 (fibromyalgia) 病患有全身慢性肌肉痠痛,可能伴隨失眠、焦慮和憂鬱等症狀,致病機轉一直是個未解之謎。中央研究院生物醫學科學研究所陳志成研究員與研究團隊,找到纖維肌痛症可能的生理與心理致病機轉和關鍵抑制劑,論文於 2020 年 9 月發表於國際風濕免疫科權威醫學期刊 (Annals of the Rheumatic Diseases)。

無藥可醫的纖維肌痛症

「纖維肌痛症 」最常見的症狀是全身肌肉慢性痠痛,伴隨疲勞、失眠、焦慮和憂慮,有時被稱為稍微累一點就全身痠痛的「公主病」。目前醫學對於該病的致病機制並不清楚,病人往往不斷轉診仍找不到明確病因,因此也尚未有專屬用藥,只能先緩解症狀,但效果相當有限。

纖維肌痛症是一種很常見卻又神秘的疼痛病。在成年人中,約有 2 ~ 6% 的人罹患此病,特徵是慢性廣泛性肌肉疼痛,並伴隨疲勞、失眠、焦慮和憂鬱,嚴重影響病人的生活品質,甚至導致失能。圖/iStock

不過臨床上發現,日常生活精神壓力會誘發或加重纖維肌痛症症狀。多數病患的背後都是一段故事,可能有家庭、親友、經濟、工作等各種問題。只是心理壓力和纖維肌痛症到底誰是因、誰是果?背後的致病機制是什麼?「我們必須建立一個可以反應纖維肌痛症的動物模式,以驗證心理壓力與纖維肌痛症的關係。」 陳志成說明。

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在此之前,先來看看痠痛是怎麼引發的呢?

組織酸化誘發痠痛

過去研究認為組織酸化會誘發痠痛。1980 年德國人曾做過人體實驗,直接把酸性物質注射入人體,結果發現真的會引起痛感,而且流速越快、越痛,初步證明酸與痠痛的因果關係。但酸是透過什麼樣的分子機制來刺激痛覺神經,卻一直沒有定論。

陳志成嘗試以此建立纖維肌痛症的動物模式。他們先幫小鼠注射酸鹽水,然後以壓肌肉或用細尼龍線刺激小鼠腳掌,發現小鼠碰到刺激會縮腳,代表的確有「疼痛過敏化」現象,但這疼痛過敏化現象在 24 小時以後會消失不見。但如果五天之內在同樣位置再打一次,就會導致持續約一個月的疼痛過敏化,而且也會發生鏡像性的疼痛,成功符合纖維肌痛症的特徵。

這個小鼠實驗模式提供了一個平台,讓陳志成可以從神經學的分子機制上,深入研究組織酸化如何誘發慢性肌肉疼痛。

我們身上各個組織都有痛覺神經,神經上有許多可被酸給激活的離子通道或受體分子,最重要的包括酸敏性離子通道(ASICs),以及辣椒素受體蛋白 (TRPV1) 等等。陳志成實驗發現,如果以藥物抑制 ASICs 或 TRPV1,五天後再次的肌肉酸化刺激就無法誘發慢性疼痛。但是,如果再次的肌肉酸化刺激發生於第二天,仍會誘發 7 ~ 10 天的疼痛過敏化現象。因此,陳志成推論出,第一次肌肉組織酸化不僅是誘發短暫的疼痛過敏化現象,也讓肌肉痛覺神經產生了可塑性變化,所以五天以內再次肌肉酸化刺激,就足以發展成慢性疼痛。

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我們身上所有組織都有痛覺神經,上面有許多離子通道或是受體分子,分別對應不同來源的痛覺,其中可被酸激活的是酸敏性離子通道(ASICs)以及辣椒素受體蛋白(TRPV1)。圖/研之有物

用噪音製造壓力源

了解痠痛的神經科學分子機制,下一步就是建立心理壓力造成痠痛的動物模式,怎麼做?噪音是好工具!一般的壓力來源很難定量,但是噪音可以換算分貝並以程式設定,比較好掌握。

他們讓小鼠待在籠中,不定時播放尖銳、人耳可能聽不見的超音波噪音,一天重複六次,隔兩天後再連續兩天重覆進行……結果,受到噪音壓力的小鼠,出現了疼痛過敏化現象持續約一個月。「我們發現,關鍵是要有不確定性、間歇性、重複性的壓力刺激,如果是給予短暫的壓力刺激,小鼠並不會出現慢性疼痛過敏化現象。」

此外,一般纖維肌痛症患者常出現共病,像焦慮、憂鬱等情緒問題。他們觀察具有疼痛過敏化現象的小鼠們,焦慮行為也變得明顯:一般健康的小鼠喜歡到處探索、玩耍, 放入十字迷宮時,敢走到兩側開放懸空的部分,但有焦慮行為的小鼠喜歡躲在隱蔽空間、不敢跑出來。

壓力 –> 氧化脂質 –> 疼痛訊號

建立一套動物模式後,接下來他和研究團隊想知道,體內有什麼東西誘發了痠痛?

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他們分析小鼠血液中的脂質,發現小鼠在遭受壓力後,體內有一群特別的脂質被代謝出來。「我們發現到一種氧化脂質 LPC16:0 ,令人眼睛為之一亮!」陳志成說道。原來,幾年前有法國科學家發現這種氧化脂質 LPC16:0 可以專一性的刺激感覺神經元上的 ASIC3 酸敏性離子通道。賓果!全部事情似乎都可以串連在一起了。

經過反覆實驗,致病機轉的輪廓漸漸清楚了!外界的壓力源 (噪音),會導致小鼠體內的氧化壓力上升,造成脂質代謝異常,產生過量的氧化脂質 LPC16:0 ,活化肌肉感覺神經元上的 ASIC3 酸敏性離子通道,造成疼痛過敏化現象,持續刺激下轉變成慢性疼痛。

圖/研之有物 (資料來源|陳志成)

纖維肌痛症療法現曙光

在小鼠身上驗證後,回到纖維肌痛症病人身上觀察:他們體內是不是有比較高的氧化壓力?比較高的異常脂質代謝呢?研究團隊將病患根據症狀嚴重程度分類,一群是全身痛、但症狀比較輕微,一群是全身又痠又痛、症狀比較嚴重,發現全身痠痛症狀嚴重的病人體內的 LPC16:0 特別高,另一組症狀輕微的病患則沒有,兩組之間有明顯的差異。

圖/研之有物 (資料來源|陳志成)

而人體其實本有快速代謝 LPC16:0 的路徑,但在五天內重複刺激,就可能變成慢性痠痛;換句話說,很多纖維肌痛症患者的病因可能是長時間一直受壓力刺激,體內會持續產生氧化脂質 LPC16:0,導致肌肉長期慢性痠痛,「這也能說明一個奇特現象:許多纖維肌痛症病患即使用藥也不見效,但當壓力源去除,像是搬離不幸福的家庭,全身痠痛就可能突然不藥而癒。」陳志成補充。

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研究人員證明氧化脂質 LPC16:0 是引起痠痛感的禍首後,就可以嘗試去阻斷它產生。研究團隊用一種可以抑制這種酵素的藥物–血小板活化因子乙醯水解酵素抑制劑 (platelet-activating factor-acetylhydrolase inhibitor; darapladib),打到小鼠的身上,果真成功降低壓力造成的疼痛反應,此發現已申請國際專利,未來可望運用在纖維肌痛症臨床治療。

纖維肌痛症的神祕面紗,至此終於稍稍揭開!這項重大研究成果於 2020 年 9 月刊登在國際風濕免疫科權威醫學期刊 (Annals of the Rheumatic Diseases) 上。不過這只是陳志成痠痛研究的一角。他首創「痠覺理論」,希望能從更深入、全面解答慢性痠痛的成因,尋找更有效的療法。

建立痠覺理論,尋找新一代止痛藥物

何謂痠覺理論?首先,陳志成認為:痠是痠、痛是痛,兩者並不一樣。

這點對華人沒有問題!在臺語詞彙中有痠(SNG)、也有痛,國語詞彙中有又痠又痛、腰痠背痛等,可是在許多國家語言中只有關於疼痛 (PAIN) 的詞彙,沒有單獨提到痠覺的字彙。目前國際上只有對於疼痛的定義,把痠痛視為同一件事,或認為痠只是比較輕微的痛覺。

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但是痠痛成因其實相當複雜,與組織酸化的關係也有待釐清!

比方說,酸可能引起疼痛,但你知道它也有止痛的效果嗎?在上述的小鼠肌肉酸化實驗中,陳志成發現同時抑制 ASIC3 與 TRPV1 ,可抑制酸所誘發的疼痛過敏化現象。但奇怪的是,第二天對於小鼠再次進行肌肉酸化刺激,雖然 ASIC3 與 TRPV1 這次沒被抑制,但小鼠竟完全沒疼痛反應!由此得知:除了 ASIC3 與 TRPV1 之外,還有一個未知、但是很重要的受體參與反應。這個神秘的受體是一個可以止痛的酸敏性受體分子,讓止痛的效果從第一次實驗延續到第二次!

接著,陳志成發現這個受體分子被刺激後,會促使感覺神經末梢釋放重要的神經傳導物質–物質 P。他認為:當痛覺神經被刺激後,在肌肉端的神經末梢會釋放物質 P,物質 P 會抑制神經活性,達成止痛作用,宛如痠痛的煞車系統。陳志成隨即抑制物質 P ,果然一次肌肉組織酸化就足以誘發慢性疼痛,讓小鼠無止盡痛下去。

那麼,問題來了!既然酸可以誘發疼痛、又可止痛,那麼痠痛病人到底是抱怨痠,還是痛呢?痠顯然不只是一種輕微的痛覺這麼簡單!這個「酸止痛」的神奇現象,提供了痠與痛的另類思考,物質 P 也可能成為新一代的止痛藥物。

「我現在就像一個傳教士,必須努力說服大家,痠與痛不一樣!我也跟語言學家合作,了解其他國家的相關詞彙,希望不久後可以將痠覺清楚定義出來。」唯有正視痠痛的不同,分別了解痠、痛背後各自的分子病理機制,才能發展更有效的止痛或止痠療法,嘉惠更多受到慢性痠痛折磨的病患。

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陳志成自許像一個傳教士,努力建立痠覺理論,並跟語言學家合作,希望不久後可以將痠覺清楚定義出來,進一步找出痠與痛的不同分子機制,發展更有效的止痠與止痛療法。圖/研之有物

研之有物│中央研究院_96
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經濟和疫情,今晚,你選哪一道?經濟學家找出各國的「最佳防疫政策」
研之有物│中央研究院_96
・2021/03/15 ・5638字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|蕭歆諺
  • 美術設計|林洵安

拚經濟 VS 顧性命,防疫政策可能兼顧嗎?

新冠肺炎席捲全球,各國紛紛祭出的嚴格手段,封城、禁足、邊境管制。但這類政策宛如雙面刃,控制人流接觸、傳播疫情,也可能同時衝擊經濟。性命要顧,生計也不能不管,政府該如何擬定政策才能兼顧兩者?當 Covid-19 可能趨向常態化,從嚴防守零容忍是長期最好政策嗎?中研院經濟研究所團隊建構出一套經濟學運算模型,在健康與經濟權衡間,找出適合各國的最佳防疫政策。

防疫是公衛與經濟的拔河

想像一下,你現在是防疫團隊的決策者,此時正與各領域專家開會。

一群學者嚴厲警示:防疫如作戰,務必嚴格限制邊境、在家工作,用盡一切手段把感染人數降到最低。但另一群專家立刻出聲反對:「沒錢也會沒命!」他們主張防疫必須適度寬鬆,盡量維持日常生活,才不會把人逼上絕境。兩邊爭吵不休,你怎麼決定?

對許多人來說,答案或許直觀:防疫首選應該是愈嚴密愈好,最短時間、最高防堵。但在經濟學家眼中,答案沒有這麼斬釘截鐵。

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中研院經濟所助研究員林軒馳、楊宗翰和訪問學者許文泰,耗費近五個月,建構一套量化運算模型,試圖在健康與經濟之間權衡,找出各國的「最佳防疫策略」。

「隔離實在太無聊……」談到研究動機,三人半開玩笑地說,但他們隨後也點出了幾個關鍵動機。

首先,新冠肺炎的衝擊百年罕見,但觀察目前的國外研究,多半仍有限制。例如,總體經濟學家大多忽略國與國之間的互動,沒有納入國際貿易觀點;國際貿易學者則鮮少探討是否有共通的防疫政策。因此,三位學者試圖更全面地找出:在開放經濟體中,什麼才是最佳的防疫政策?

另一個關鍵動機是,他們發現權衡健康與經濟議題,國內輿論幾乎一面倒,「新聞裡的學者專家基本都是公衛或醫學背景,」防疫是公共衛生與經濟的拔河,畢竟健康重要,但放眼各國,長期全境關閉、封城禁足已衝擊眾多產業和商家的營運,擊垮無數家庭生計。因此,經濟問題也不可忽視。

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「我們可能同時顧及公衛與經濟,找出經濟損失最少的防疫選項嗎?」,成為研究團隊的核心問題。

各國國情不同 客製化找疾病傳播速率

帶著這樣的問題,團隊以 2020 年初至 7 月 22 日的資料為基礎,建構出一套經濟學運算模型,檢視不同條件對疫情擴散、經濟損失的影響。

第一步,先了解各國疾病傳播速率。

他們使用流行病學的常用指標:基本再生數(Basic Reproduction Number, R0),意思是每一個感染者平均會傳播給多少人。當 R0 越大,代表疾病擴散快,疫情越難控制;若 R0 小於 1,傳染人數變少,疾病便會逐漸消失。

但即使是同一種疾病, R0 也並不是統一的。「我們根據模型裡人與人的互動參數,或是各國的防疫政策等,反過來推估計各國的 R0。」

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許文泰解釋:「每個國家的國情、防疫措施都不同,例如亞洲人習慣戴口罩,歐洲人打招呼會親吻,所以我們進一步去『客製化』各國狀況——結合各國的 R0 、防疫措施,去計算出對應的有效傳染數(Effective Reproduction number, Re)。」

另外,他們也加入 Dingel and Neiman (2020) 的「各國遠距工作指數」、牛津大學的「防疫政策指標」等重要指標,來做為模型內的運算參數,以提供「客製化」的結果供各國參考。

防疫政策好理解,但為何遠距工作要納入模型?原因是,遠距工作的可行性,也會同時影響疫情傳播與經濟衝擊。楊宗翰舉例:「像美國肉品處理業、或是亞馬遜的雨林工業的工人,很難在家工作,使得工作地就成為群聚感染的破口。」

因此,若一個國家產業的遠距工作可行性愈高,受到的經濟衝擊也相對愈小。國內封城,人們還是可以遠距工作,以及透過國際貿易補足缺口、互通有無,經濟衝擊就可能降低。

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結合流行病學、國際貿易的各項參數,建構出模型後,研究員開始進行各項模擬推算,了解實施不同的防疫政策下,經濟表現有何差異。

各國遠距工作、國際貿易的程度,都可能影響疫情傳播與經濟衝擊。台灣由於製造業占比多,在遠距工作的可行性排行上算是中等國家。
圖/研之有物

參照韓國防疫,「短期」經濟變好或變壞?

他們先以第一波疫情的模範國韓國作為參照。假設,世界各國都向好學生看齊,採用韓國政策防疫,各地的經濟狀況會變好嗎?

檢視經濟狀況的指標有兩項:實質收入(real income)和人民福祉(welfare)。

實質收入較好理解,即是指一國的實質 GDP。後者並非我們熟悉的社會福祉,而是考量了個人感受的效用(utilities)總和,包括風險趨避(risk aversion)、跨時間的替代效果(intertemporal substitution effect)等都納入衡量。簡單來說:當疫情愈穩定、個人收入愈平穩、一國的人民感受愈好,福祉就會愈高。

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要特別說明的是,「套用韓國政策」並不是模仿施行一模一樣的政策,而是「讓疾病傳播速度限制在某個數值(Re)之下」。好比,台灣感染案例更低,因此採韓國政策就代表要增加現行 Re,也就是放鬆現行管制。

至於,為何對照組是韓國,而非超級優等生台灣?說來有趣,答案正是台灣太「模範」了!林軒馳分析:「去年七、八月時,台灣幾乎毫無疫情。如果以台灣做參照,各國經濟活動都要 shut down(全面中止),」台灣就像平行時空,R0 太低,多數國家難以企及。

因此,研究團隊以「韓國的有效傳染數(Re)」做基準,對比現行防疫措施,推算當各國都調整防疫措施,使傳播速度低於這個值時,是否能遏止病毒擴散?對經濟衝擊有何影響?

結果出人意表!除了中國、台灣,短期來看其他國家的實質收入、人民福祉,全都變糟了!加強防疫後,代價是經濟蒙受不小損失。細究原因,韓國疫情比絕大多數國家控制得好,各國需要收緊管制。因此若向韓國看齊,雖然能降低感染人數、少死一些人,但也得承受明顯的經濟衝擊。

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若各國採用韓國防疫模式作為替代政策,不論是染病人數、死亡人數,幾乎都會大幅降低。
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。
但短期實施後,各國將面臨經濟衝擊。除了中國、台灣的經濟損失會減少,其他國家的經濟反而更慘烈。原因是,韓國比多數國家防疫限制更嚴格,經濟衝擊因而增加。
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。

看起來,以韓國作為標竿從嚴防疫,對多數國家經濟福祉並不利。難道,防疫真的是經濟殺手?

短期而言,答案似乎是肯定的。但是把時間拉長來看,問題將會複雜許多。因為死亡帶來的各種負面成本,會隨著時間發酵。

比如,一位 30 歲年輕人不幸染疫身亡,假設他原本活到平均年齡的收入、稅金、社會貢獻、消費、可能生養的孩子,將通通化為泡影。另外,狂飆的死亡人數也會讓恐懼陰影擴散,增加不安定的社會成本,「像是賭博一樣,政府都發爛牌給你,知道穩輸的感覺很差,」許文泰解釋。

參照韓國防疫,「長期」經濟變好或變壞?

因此,研究團隊又做了下一個模擬,假定在廣泛施打有效疫苗之前,需要長期防疫。若各國長期採用韓國政策,結果如何?

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情況開始出現分流:有人退步,有人進步。也就是說,一半的國家需要收緊管制,另一半的國家需要放鬆管制,才能有較好的經濟表現。

韓國、台灣得放鬆管制,否則長期下來會承受經濟損失;美國、巴西、印度則應收緊防疫,雖然短期受到衝擊,但長期經濟表現反而更好。

把時間拉長來看,佛系國家若收緊管制,既能挽救更多人的性命,還增加整體經濟利益;中、台、韓等從嚴防疫的國家,則需要放鬆。只是後者調整政策的迫切性沒那麼大,因為實質收入雖然可顯著增加,但福祉並不會巨幅提升。

許文泰強調:「防疫該收緊的時候,請一定要做到,不管是收入、福祉、心理成本都有影響,這不是開玩笑的!」

找出各國最佳防疫政策

保錢、保命一定相互衝突嗎?Re 降到最低,就是最好的防疫政策嗎?顯然,答案未必如此。

從研究結果看來,長期的最佳政策必須在經濟活動、疾病控制之間,找到平衡。強力讓有效傳染數率急速歸零,不見得就能成為模範生,很可能撲滅疾病,但經濟也全面蕭條衰敗,付出慘痛成本,需要考量各國不同的情況,才能計算最佳的防疫政策。因此,下一步,

團隊根據實質收入、人民福祉兩項經濟指標,融合流行病學模型與數據,演算出各國的「最佳防疫政策」──也就是實質收入、人民福祉都能最大化的各國 Re 值。

世紀大疫爆發至今,應該強力封城或者佛系防疫,仍是爭論不休的議題。三位學者透過經濟模型找出最佳防疫參考值,運算出各國最適合的 Re 值,也成為這項研究的突破性發現!

【上圖】研究團隊運算出的各國「最適疾病傳播速度」,例如印度只需要把Re 降至 1.1 ,不須要小於 1。由此提供各國參考,現行政策應該放鬆或管制,才是最適合的防疫方向。
【下圖】若要獲得更好的經濟效益,藍線在0以上的國家,需要加強管制、降低 Re 值;藍線在負值的國家,則需要放鬆管制。
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。

研究團隊運算出最能降低經濟損失的最適政策後,接著,三位學者也進一步檢視,實施後有多大成效?

根據模型演算,如果各國採取各自最佳防疫政策,多數能增加 2.5% 福祉,包括美國、英國、印度。2.5% 聽起來微不足道,實際上,一兩年的差異如同發展基底,很有可能關乎後續深遠的經濟影響。

白線越短的國家,代表當時的防疫政策表現已接近最適政策。例如,大家印象中的防疫後段班義大利,在圖中表現突出,原因可能是義大利後來採取封城等嚴格政策,將疫情控制住。因此,從蒐集至 2020 年 7 月中的數據來分析,美國、義大利已呈天壤之別。(在此張圖表中,由於台灣當時已無新增案例,R0太低,因此部分失真。)
圖/研之有物(原圖、資料來源│楊宗翰、許文泰、林軒馳)。

如果有一個超級 WHO,該怎麼防疫?

除了最佳防疫政策,他們也做了其他有趣的模擬。例如,想像全世界是由一個機構(例如進化版 WHO),制定全球統一的防疫手段,結果會如何?

「我滿 shocked 的,最佳政策跟放任政策,整體來說實質收入沒有差很多!」林軒馳指出。

若全世界都走佛系路線,相較於採用各國最佳防疫政策,實質收入差距並不大。然而,人民福祉就有顯著差異!這意謂,若國家長期放任,社會必須承受龐大的心理成本,即使表面看來實質收入損失不大,實際上將重創人民福祉。總結本次研究,實施佛系防疫,無論在控制疫情、經濟表現,都明顯吞苦果;採用像韓國般的嚴謹作法,短期雖然會有可觀的經濟損失,長期而言對國家較有助益,死亡人數減少、經濟表現也更好。

值得注意的是,防疫絕非越嚴格越好!最佳防疫政策的推算,就是在控制疫情與經濟效益之間,尋求平衡。

佛系防疫是否可行?從實質收入來看,也許損失並不大;但人們會有風險偏好,當染病、死亡人數不斷攀升,沒有人喜歡隨時處在不安的恐懼陰影,死亡的長期經濟損失也會加成擴大,因而重創人民福祉。
圖/研之有物

另外,三位學者也不約而同談到了國際貿易的重要性。

許多人認為,高度的跨國往來讓病毒很容易搭上「順風車」,是防疫大敵。但研究團隊發現,國際貿易也可以是支援防疫的「後備軍」。

「二、三月的時候,一度出現反全球化浪潮。但實際上,有國際貿易的情況下,才能更良好地控制疫情,」楊宗翰說明,如果各國完全回歸自給自足,疫情可能更糟。比如逼得重災區如美國,工人仍得維持畜牧、肉品加工,因群聚而加速疫情傳播。有他國貨物支援下,國家才能加強防疫,減少經濟衝擊。

林軒馳補充,現代商業交易並非只有人流往來,多數貿易其實是貨運,補足各國生產缺口,反而對拉平疫情曲線有正向幫助。更遑論,許多醫療資源的跨國互助,也需要仰賴國際貿易。

要錢?還是要命?二選一的遊戲很殘酷,但現實中,這道抗疫選擇題不一定是零和挑戰,面對長期的病毒抗戰,社會需要更多面向的思考。隨疫苗研發成功,台灣在努力維持抗疫好成績之時,或許也可以納入經濟學家的意見,找到下一階段最適合台灣的防疫政策。

研究團隊林軒馳、楊宗翰、許文泰(從左至右),為了運算出各國最適合的防疫政策,三人傷透腦筋,但也因此,突破關卡後格外收穫十足。在高度抽象的模型、公式之外,三位研究員仍帶著投身人文社會科學的初心,關懷具體世界的焦慮困境,期盼能從經濟學觀點提供政策建議。
圖/研之有物

延伸閱讀

  1. Wen-Tai Hsu, Hsuan-Chih (Luke) Lin, Han Yang ❬Between Lives and Economy: Optimal COVID-19 Containment Policy in Open Economies❭,2020
  2. 許文泰個人網頁
  3. 林軒馳個人網頁
  4. 楊宗翰個人網頁

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook